Yüksek akımlı çok katmanlı baskı devre kartı ile tasarlanmış çıkış filtre bobini . 53

53

paralel olacak şekilde, baskı devre kartı üzerinde GaN tranzistörlere çok yakın olarak yüksek frekanslı seramik kondansatörler (EPCOS, B58031I5105M2) kullanılmıştır. Böylelikle, giriş gerilim hattı yüksek hızlı anahtarlama kabiliyeti olan GaN tranzistör için hızlı şekilde akım verebilme kabiliyeti kazanmıştır.

4.2 Yüksek akımlı çok katmanlı baskı devre kartı ile tasarlanmış çıkış filtre bobini

54

(a) (b)

Şekil 4.3. (a) Tel sarım bobin, (b) Çok katmanlı yüksek akımlı baskı devreli bobin

(a) (b)

Şekil 4.4. 20’inci dakikadaki ısıl görüntüler (a) Tel sarım bobin ön görünüm, (b) Çok katmanlı yüksek akımlı baskı devreli bobin üst görünüm

20 dakika sonra her iki bobin neredeyse sabit bir sıcaklığa ulaşmış ve sıcaklık dağılımlarını gözlemlemek için ısıl görüntüleri alınmıştır. Maksimum sıcaklık değerlerinin ölçülebilmesi adına, tel sarım bobin için yan açıdan, çok katmanlı yüksek akımlı baskı devre bobini ise üst açından görüntülenmiştir. Şekil 4.4’te görüldüğü üzere Tamb = 24 ° C ortam sıcaklığında tel sarım bobin Tbob= 90 ° C maksimum sıcaklığa ulaşırken, çok katmanlı baskı devre ile tasarlanan bobin sıcaklığı sadece 69.3° C'ye ulaşmaktadır. Paralel bağlı baskı devreler arasındaki artan yüzey alanı ve hava kanalları nedeniyle, çok katmanlı baskı devre bobininin daha düşük ısıl dirence sahip olması beklenmektedir. Deneysel doğrulama, çok katmanlı, yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarım yöntemi kullanıldığında sargıların sıcaklık artışının tel sarım bobin tasarımına göre % 32 oranında azaltılabildiği göstermiştir. Çok katmanlı baskı devre sargısı daha yüksek güç kaybı değerine sahip olsa bile, bu yöntem ile daha düşük sıcaklık artışı elde edilebildiği görülmüştür. En kötü ortam sıcaklığı koşulu ve en yüksek çalışma sıcaklığı değerleri düşünüldüğünde, tel sarım bobin için fanlı hava

55

soğutması gerekecektir. Çok katmanlı baskı devre bobin tasarımında ise doğal hava soğutması yeterlidir. Bu nedenle, önerilen çok katmanlı baskı devre manyetik tasarım yaklaşımı kullanılaarak, soğutucu ve fan ihtiyacı azaltılmış, sistem karmaşıklığı daha aza indirgenmiş, böylece güvenilirlik ve modülerlik artırılmıştır.

56

5. DENEYSEL SONUÇLAR

Geliştirilen tek fazlı evirgecin detaylı blok şeması da Şekil 5.1’de gösterilmektedir. Evirgeç sayısal işaret işleyici kontrol kartı ve güç katı kartı olmak üzere iki ana bileşenden oluşmaktadır. Evirgeç ana güç ve kontrol gücü olmak üzere iki faklı beslemeye ihtiyaç duymaktadır.

Ana güç bağlantısına 400Va kadar olan gerilimler bağlanabilmekteir. Kontrol gücü terminallerine de 24 V gerilim uygulanması gerekmektedir. Tek fazlı evirgeç sayısal işaret işleyici kartı üzerinden JTAG arayüzü üzerinden programlanmakta ve kontrol sinylleri uygulanmaktadır. Deneysel ölçüm düzeneği Şekil 5.2’de gösterilmektedir. Deney düzeneneğinde Tektronix DPO 3034 osiloskop, Tektronix TCP202 ve 500 MHz frekans bandına sahip izole olmayan problar kullanılmıştır. Bölüm 3’te verilen benzetim verileri ile tutarlı sonuçlar elde edilmiştir. Uygulanan evirgecin teknik özellikleri Çizelge 2.2'de verilmiştir. Bu tablodaki bilgilere ek olarak, GaN tranzistörlerinde güç kaybını ve AC çıkış akım dalga formundaki harmonik kaynaklı bozulmayı en aza indirgemek için ölü zaman değeri 100 ns olarak ayarlanmıştır.

Şekil 5.1. Tek fazlı evirgeç detaylı blok şeması

57

Şekil 5.2. Deney düzeneği

Evirgecin tam yükteki AC çıkış akımı ve gerilim dalga şekilleriŞekil 5.3’te gösterilmektedir.

Ayrıca, bu çalışma koşulu altında tek fazlı evirgecin akım THD değeri % 0.85 olarak ölçülmüştür. Bu değer, faz akımı için oldukça düşük bir değerdir ve oldukça düşük harmonik içerikli bir faz akımına karşılık gelmektedir.

Tek fazlı evirgecin DC giriş gerilimi ve akımı da, Şekil 5.4'te gösterildiği gibi AC çıkış gerilimi ve akımı ile birlikte sunulmuştur. Bu dalga şekillerinden görüldüğü gibi, DC giriş akımı üzerinde, çıkış temel frekansının (100 Hz) iki katında bir salınım mevcuttur. DC giriş akımındaki bu salınımlarından dolayı, DC giriş geriliminde bir gerilim dalgalanması gözlemlenmektedir. Doğru seçilen DC bara kondansatör değeri ile gerilim salınımlarının operasyonel olarak kabul edilebilir seviyelerde tutulduğu da (salınımların tepesi 370 VDC'nin

% 5'inden azdır.) grafiklerden görülebilen diğer önemli bir noktadır.

Yük Kontrol

bilgisayarı

Tek fazlı GaN evirgeç Kontrol güç

kaynağı

Ana güç kaynağı

58

Şekil 5.3. Tam yük altında evirgeç AC çıkış gerilim ve akım dalga şekilleri (CH2: Çıkış gerilimi, CH4: Çıkış akımı)

Şekil 5.4. Tam yük altında evirgeç DC giriş ve AC çıkış gerilim ve akım dalga şekilleri (CH1: Giriş gerilimi, CH2: Fazlar arası gerilim, CH3: Giriş akımı, and CH4: Çıkış akımı)

GaN a-mod tranzistörünün anahtarlama dalga şekilleri de, tranzistörün yüksek anahtarlama hızını göstermek ve tranzistör kayıplarını hesaplamak için gözlemlenmiştir. Tranzistörün iletimden çıkma ve iletime girme anahtarlama dalga biçimleri sırasıyla Şekil 5.5 ve Şekil 5.6’da sunulmuştur. Bu dalga şekillerinden görüldüğü gibi, iletime girme sırasındaki savak-

59

Şekil 5.5. Tam yükte GaN tranzistör iletimden çıkma şekilleri (CH1: Savak-kaynak gerilimi, CH2: Kapı-kaynak gerilimi, CH3: Savak akımı)

Şekil 5.6. Tam yükte GaN tranzistör iletime girme dalga şekilleri (CH1: Savak-kaynak gerilimi, CH2: Kapı-kaynak gerilimi, CH3: Savak akımı)

kaynak gerilimi düşme süresi 40 ns, iletimden çıkma sırasındaki savak- kaynak gerilim yükselme süresi ise 20 ns civarında ölçülmüştür. Düşme ve yükselme sürelerindeki bu fark, asimetrik kapı sürme devre yapısından kaynaklanmaktadır. Tranzistörü iletime alma işlemi, Miller etkisi nedeniyle iletimde olmayan tranzistörün dv/dt ve parazitik kondansatörler

60

sebebiyle istemsiz iletime girmesini engellemek için daha yavaş gerçekleştirilmektedir. Bu sebeple savak-kaynak gerilimi düşme süresi yükselme süresine göre daha uzun olmaktadır.

Kullanılan kapı sürme devreleri ile iletime girme ve iletimden çıkma sırasındaki dv/dt değerleri sırasıyla 9.25 kV/ μs ve 18.5 kV/μs olarak ölçülmüştür. Anahtarlama enerji kaybı savak-kaynak gerilimi ile savak akımı çarpımı ve ardından entegrasyonundan ölçülmektedir.

Şekil 5.5’te iletimden çıkma anında savak-kaynak gerilimi üzerinde görülen salınım, GaN tranzistör elektriksel bağlantı hatlarının kaçak endüktansı ile girişteki yüksek frekanslı seramik kondansatörler arasındaki anlık bağlantıdan kaynaklanmaktadır.

İletimden çıkma ve iletime girme anahtarlama kayıpları savak-kaynak gerilimi ile savak akımlarıı çarpılarak Şekil 5.7 ve Şekil 5.8’deki gibi elde edilmiştir. Grafiklerdeki güç değerlerine integral alma işlemi uygulanarak iletime alma işlemi için, anahtarlama enerjisi Eon = 203 μJ, iletimden çıkma işlemi için ise Eoff = 62 μJ olarak hesaplanmıştır. Tam yük altında ölçülen verim değeri kullanılarak GaN tranzistörlerinin toplam güç kaybı 61.6 W her bir GaN tranzistör için 15.4 W'a karşılık gelmektedir. Anahtarlama güç kaybı, aynı çalışma gerilimi için tranzistör savak akımı ile doğrusal orantılı olduğundan deneysel anahtarlama kaybı, Psw, 30 A tepe AC çıkış akımı için (5.1) 'den belirlenebilmektedir.

Şekil 5.7. İletimden çıkış anı güç kaybı grafiği Eoff = 62 μJ

μJ

61

Şekil 5.8. İletime giriş anı güç kaybı grafiği

(5.1) kullanılarak, fsw = 50 kHz ve fs = 50 Hz için AC çıkış akımının her çevrimindeki k-darbeleri için iletime alma ve iletimden çıkma kayıpları toplanmakta ve toplam kayıp Psw = 8.5 W olarak elde edilmektedir.

𝑃_𝑆𝑊 = ∑ (𝐸_𝑜𝑛+ 𝐸_𝑜𝑓𝑓)𝑓_𝑠𝑤𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑘/𝑓_𝑠𝑤)

𝑘=𝑓𝑠𝑤/(2𝑓𝑠)

𝑘=0

(5.1)

Bir GaN transistor için ortaya çıkan güç kaybı kırılımı Çizelge 5.1'de gösterildiği gibi 6.9 W olarak elde edilmiştir. Çizelge 2.4'te verilen analitik hesaplamalar ile deneysel olarak uygulanan evirgecin iletim kaybı değerindeki küçük farkın, sıcaklık başta olmak üzere çalışma koşullarına bağlı olarak GaN tranzistörünün kanal direncinde, RDson, meydana gelen değişimden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Böylece, RMS akım ve iletim güç kaybı ifadelerinin bir doğrulanması gerçekleştirilmiştir.

Çizelge 5.1. Uygulanan evirgeçte GaN tranzistör güç kaybı kırılımı

Tranzistor Anahtarlama güç kaybı İletim güç kaybı Toplam güç kaybı

GS66516T 8.5 W 6.9 W 15. 4 W

Eon= 203 μJ

62

Deneysel olarak uygulanan evirgeç, farklı yük çalışma koşulları altında çalıştırılmış ve bu koşullar altında elde edilen verim değerleri Şekil 5.9'da gösterildiği gibi teorik değerlerle karşılaştırmalı olarak çizdirilmiştir. Tam yük çalışma koşulunda, evirgecin verim değeri

%97.8 olarak ölçülmüştür. Bu değer de 5-kVA çıkış gücünde toplam 112.5 W'lık bir güç kaybına karşılık gelmektedir. Tam yük çalışma koşulu altında kayıp dağılımının grafiksel bir gösterimi de Şekil 5.10'da sunulmuştur.

Şekil 5.9. Evirgeç çıkış gücü ve verim grafiği

Şekil 5.10. Tam yük altına evirgeç güç kaybı dağılımı

Evirgeç çıkış gücü (kW)

Veri m ( % )

63